Исследователи раскрывают, как электрохимическая энергия бактерий повышает устойчивость к антибиотикам

Бактерии, устойчивые к антибиотикам, представляют собой надвигающуюся угрозу для глобального здравоохранения. Бактерии, вырабатывающие генетическую устойчивость к антибиотикам, ежегодно уносят миллионы человеческих жизней. Тем не менее генетическая резистентность — это лишь один из многих способов, благодаря которым бактерии могут выжить при воздействии антибиотиков.

Исследователи из Техасского университета A&M изучают, как бактерии развивают толерантность к антибиотикам, не приобретая новые гены и не видоизменяя существующие. Исследователи сосредоточились на вариациях электрохимической энергии, которая способствует росту бактерий, чтобы понять адаптацию к антибиотикам. Эти энергии интенсивны: электрическое поле одной бактерии может быть сильнее, чем в молнии.

«За миллиарды лет бактерии разработали многочисленные стратегии адаптации, чтобы выжить в неблагоприятных условиях», — сказал доктор Пушкар Леле, доцент кафедры химической инженерии Арти Макферрина в Texas A&M. «Большинство механизмов адаптации еще предстоит понять».

Команда опубликовала свои выводы в журнале mBio в статье под названием «Гетерогенное распределение протон-движущей силы при ненаследуемой устойчивости к антибиотикам».

Каждый год в медицине используется около 3 миллионов фунтов антибиотиков, и в восемь раз больше этого количества используется для поддержания здоровья скота для потребления человеком. К сожалению, избыточное и нецелевое использование антибиотиков может создать условия, способствующие возникновению у бактерий устойчивости к антибиотикам.

Предыдущие исследования показали, что отдельные бактериальные клетки, которым не хватает энергии, часто выживают после смертельных доз антибиотиков. Эти спящие клетки могут не иметь генов, придающих устойчивость к антибиотикам. Вместо этого они спят во время атаки антибиотиками.

«Антибиотики уничтожают активно растущие бактерии, обычно воздействуя на ключевые процессы в клетке», — сказал Леле. «В спящих бактериях эти процессы могут быть заблокированы, что делает антибиотики неэффективными. Фактически, высокие уровни энергии считаются пагубными для их шансов на выживание».

Поэтому команда была удивлена, когда увидела, что выжившие клетки кишечной палочки быстро плавают в течение нескольких часов в присутствии антибиотиков. Бактерии плавают, вращая тонкие придатки, называемые жгутиками. Жгутики вращаются несколько сотен раз в секунду сильными электрическими полями через клеточную мембрану. Таким образом, эксперименты предполагали, вопреки общепринятому мнению, что выжившие сохраняют высокие электрохимические энергии.

Чтобы исследовать корреляцию между энергией клеток и устойчивостью к антибиотикам, исследователи обработали клетки несколькими комбинациями антибиотиков. Используя флуоресцентные красители и чувствительные методы обнаружения фотонов, они отслеживали уровни электрохимической энергии в выживших клетках. Клетки неожиданно продемонстрировали широкий диапазон энергий, несмотря на то, что они находились в состоянии остановки роста.

Затем команда определила, как выжившие могут отреагировать на снижение уровня антибиотиков, если лечение будет сокращено. Работая на уровне отдельных клеток, они обнаружили, что клетки с высокой энергией начинают расти сразу же после устранения угрозы антибиотиков, демонстрируя опасность неполных курсов антибиотиков.

Результаты показывают, что некоторые бактерии могут пережить натиск антибиотиков, даже если они не являются ни спящими, ни устойчивыми. Вызывает тревогу то, что такие бактерии сохраняют способность выплывать из опасной среды и быстро распространяться. Кроме того, высокое удержание энергии позволяет им адаптироваться к антибиотикам различными способами.

«Источник энергии в E. coli, обеспечивающий подвижность, также приводит в действие многие транспортеры, часто называемые насосами оттока», — сказал Леле. «Эти переносчики могут выкачивать антибиотики из клетки, чтобы смягчить угрозу. Плавающие клетки, которые мы наблюдали, возможно, адаптировались с помощью этого механизма».

Медикаментозное лечение часто включает в себя переход на другой антибиотик, если инфицированный пациент не реагирует на первоначальное лечение антибиотиками. По словам Леле, интересным аспектом их открытия является то, что клетки с высокой энергией выживают чаще при смене антибиотиков, чем при использовании одного антибиотика.

«Наши результаты также показывают, что, несмотря на генетическую идентичность, клетки в популяции могут использовать и действительно используют различные механизмы для адаптации к стрессу, вызванному антибиотиками», — сказал Леле. «Схемы лечения имели бы лучшие результаты, если бы учитывали такое разнообразие».

В число исследователей проекта входят Леле, Энни Х. Ли, доктор Рахит Гупта, Хонг Нхи Нгуен, Изабелла Р. Шмитц и доктор Дебора А. Сигеле.